氨气压力调控熔盐中金属氮化物胶体的合成

《Nature》：Ammonia pressure controls colloidal metal nitride synthesis in molten salts

　　

摘要

金属氮化物是一类应用极为广泛的材料，涵盖光电子学、能源及医疗技术等领域。例如，GaN及相关氮化物半导体是固态照明和高效电子产品的关键材料^1，2。TiN及其他早期过渡金属氮化物则被广泛用于耐磨合金、工具涂层、催化剂以及医疗植入物中³。强金属-氮键使得氮化物具有结构刚性以及化学和热稳定性⁴。然而，由于金属-氮键的共价性，合成晶体态金属氮化物需要高温。常见的合成方法包括高温固相氮化⁵、超临界氨中的晶体生长⁶、分子束外延法⁷、反应溅射法^8，9以及化学气相沉积法^{1，10，11，12}。对于那些化学键相对较弱的晚期过渡金属氮化物，已有多种通过溶液法合成胶体纳米晶体的方法^{13，14，15，16，17}。而早期过渡金属氮化物纳米晶体的合成则较为困难，因为所需温度远高于常用溶剂的稳定温度范围。在此，我们提出了一种通过在高压下让金属卤化物与溶解在熔融无机盐中的氨发生反应，从而合成难处理金属氮化物纳米晶体的通用方法。实验中成功合成了胶体TiN、VN、GaN、NbN、Mo?N、Ta?N?、TaN、W?N以及三元Ti???V?N纳米晶体。这些纳米晶体拓展了可通过溶液法处理的具有重要应用价值的材料范围。